具有低暗电流光电二极管的像素传感器制造技术

公开了一种降低ＣＭＯＳ成像器件中热生暗电流的方法与装置。成像器件中的光电二极管被维持在零偏置，从而使光电二极管两端的电压相等。利用一些不同的技术来实现这样的零偏置，可供选择的包括：工作在其亚阈值电平的三极管；泄漏二极管；短沟道ＭＯＳＦＥＴ；或斜坡电荷注入。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用于抑制无用的热生电流的技术，具体地说，涉及对成像器件的像素中的热生暗电流的抑制。
技术介绍
暗电流是指由成像器件的像素在即使没有光信号的情形下产生的无用信号。暗电流的一个来源是热生能量。在CMOS有源像素成像器件中，热生暗电流(thermally genera ted dark current)在许多成像应用中呈现问题。例如，某些汽车中的应用要求在温度介于60至80摄氏度的范围内稳定的像素性能。当温度升高时，暗电流也同样增加。另外，某些数码照相机要求不断增加的积分时间，从而能够得到对光电流的更高灵敏度。然而，积分时间越长，对热生暗电流的灵敏度也越高。于是，存在对抑制热生暗电流产生的电路的需求。专利技术概要在一个方面，本专利技术提供一种成像像素，它具有用于响应入射的光能而在第一节点产生电信号的光电转换器件；用于在第一节点接收电信号并从其中产生像素输出信号的电路；用于向所述光电转换器件的第二节点提供所述输出信号的电路路径。所述电路路径在光电转换器件两端产生零净偏置，以减少热生暗电流的产生。在不同的实施例中，所述电路可以是电压跟随器电路或源极跟随器电路。在另一个方面，本专利技术提供操作像素单元以便在光电转换器件两端提供零偏置从而减少热生暗电流的方法。从以下结合附图提供的详细说明中将更好地理解本专利技术的这些和其它特征及优点。附图的简单说明附图说明图1为本专利技术的第一实施例的原理图；图2为本专利技术的第二实施例的原理图；图3为图1及图2中的光电二极管的剖面图；图4为本专利技术的第三实施例的原理图；图4A为图4中泄漏二极管的原理图；图5为本专利技术的第四实施例的原理图；图6为本专利技术的第五实施例的原理图；图7为本专利技术的第六实施例的原理图；图8为本专利技术的读出部分的NMOS实现方案的原理图；图9为本专利技术的读出部分的PMOS实现方案的原理图；图10为本专利技术的第七实施例的原理图；图11为图10中的电路的时序图；图12为图10中的电路的放大了的时序图；以及图13为图10中的电路的进一步放大了的时序图。本专利技术的详细说明图1展示了依照本专利技术的第一实施例的像素单元100，它包括具有连接到复位开关三极管108的电荷累积节点A的光电二极管104，所述复位开关三极管的另一侧连接到电压源VDD；电容CPIXEL，它连接到节点A和电压源VDD之间；输出电路120，它配置成连接到节点A的电压跟随器并提供像素输出信号。电路100是运算放大器120，正输入端连接到节点A而其负输入端连接到放大器120的输出端，所述负输入端还连接到光电二极管104的与节点A相反的另一端。在复位三极管108中，中间箭头表示三极管108的在其源极与漏极之间的部分112(称为块体基片(bulk substrate))具有连接到那里的电连接线。在像素100中块体基片由跟随节点116的VPIXEL的差分放大器120驱动。通过在光电二极管104两端加零伏偏置电压来消除无用的热电流。尽管电容CPIXEL被展示为连接到VDD，但它也可连接到地或不同于VDD的其它电压源。因为施加在光电二极管104两端的电压总是被差分放大器120维持在零伏，所以光电二极管104的电容不影响电荷转换增益。因此，图1电路的转换增益主要由CPIXEL的值来确定。图1的电路以如下方式工作。节点A的像素电压VPIXEL通过复位三极管108被初始化为复位电压，并且这个数值被有选择性地从放大器120的输出(OUT)节点读出而送给采样保持电路。在复位以后，光电二极管104在节点A产生被存储在电容CPIXEL中的积分电荷信号。这个信号同样被选择性地读出而送给采样保持电路。光电二极管104的结偏置在复位和电荷积分时段内被电压跟随放大器120的输出维持在零，所述输出连接到光电二极管104的背端，即与节点A相反的那一侧。因为光电二极管的结为零偏置，所以没有净电流流过光电二极管104而产生暗电流。另外，复位三极管108的基片也接收放大器120的输出。以这种方式，所有连接到图1中积分节点A的结都为零偏置，因此热泄漏被抑制。另外，实现了高转换增益以及由此而得的高灵敏度，因为这些完全是由增益电容器CPIXEL所决定的。图2中示出本专利技术的第二实施例，其中使用了源极跟随器电路212来代替图1中的电压跟随器电路120。源极跟随器电路包括连接到电流源208并且具有连接到节点A的栅极的零阈值三极管204。像素200与像素100不同，其区别在于像素200提供缓冲放大器216，所述缓冲放大器的输出端没有绕回来连接到光电二极管104的背端。然而，光电二极管两端的电压仍被保持在零伏，这次是由源极跟随器212来实现的，它的输出端连接到光电二极管104的背端以及缓冲放大器216的输入端。零阈值三极管204的阈值电压为零，从而使得源极跟随器200总是提供对应于在节点220的输入电压的输出电压给光电二极管104的背端。所述三极管通过控制在三极管204的栅极下面的杂质浓度而维持零阈值，这种方法也称为栅极注入法。三极管204的源极连接到所述三极管的块体基片，因此消除了”体效应(body effect)”并且在源极跟随器电路212中保持良好的具有单位增益的线性度。于是，源极跟随器电路212能够总是保持光电二极管104两端的零偏置，而与任何电荷累积状态无关。图3展示了像素200在半导体基片中的剖面示意图。如图3所示，光电二极管的N+电荷收集区域以及三极管204的栅极和三极管224的漏极连接到积分节点A。另外，三极管204的漏极既向缓冲放大器216提供输又通过设置在P型阱305内的P+区域连接到P型阱305。P型阱305形成光电二极管104的背端。P型阱305形成在N型基片上。为了在光电二极管104两端为零偏置的情形下提高光电二极管104的灵敏度，局部地降低了光电二极管N+电荷收集区域306下面的掺杂剂浓度，使得在低浓度区域306所产生的电子通过载流子扩散过程被聚集到N+电荷收集区域。图2和图3的配置提供大动态范围以及极好的线性度。尽管图3展示了沟槽隔离区域308和312(也称为STI区域)，但也可使用其它的隔离方法，如n型阱隔离或局部氧化硅(LOCOS)。沟槽隔离(STI)区域308和312通过刻蚀出沟槽并填入绝缘体如氧化物而形成，而绝缘体则协助将每个单独的像素隔离开来。在三极管204的右侧，n+漏极区域和p+型阱控制区域304重叠在一起。光电二极管104所在的P型阱区域305由源极跟随器电路212驱动，以跟随电容CPIXEL上的信号积分。以这种方式，阱区域304起光电二极管的保护装置的作用并由电压跟随放大器120驱动，因此有”保护驱动”光电二极管的说法。人们期望将流过电流源208的电流维持为尽可能低，以便将图像功率消耗减至最小，因为每个单独的像素都需要一个电流源208。因此，对于一百万像素的阵列，如果总电流消耗为1毫安就需要使电流小于1纳安/像素。于是，就需要数千兆欧的等效电阻。然而，要利用传统的电阻材料如扩散层或多晶硅层取得这样高的电阻值是很困难的。为了解决这个问题，图4展示了具有泄漏二极管404形式的电流源的电路400。二极管404的陷阱浓度可以通过在生产过程中增加二极管404的结中所含的中性粒子杂质或陷阱440的数量来提高，从而反过来也影响流过的反向偏置本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种成像像素，它包括：光转换器件，用于响应入射的光能而在其第一节点产生电信号；电路，用于在所述第一节点接收所述电信号并从其中产生像素输出信号；以及电路路径，用于把代表所述输出信号的信号提供给所述光电转换器件的第二节点 。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：I塔卡亚纳吉，J纳卡穆拉，
申请(专利权)人：微米技术有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]